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基于人工智能和计算生物学的合成生物学元件设计 被引量:2
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作者 王晟 王泽琛 +7 位作者 陈威华 陈珂 彭向达 欧发芬 郑良振 孙瑨原 沈涛 赵国屏 《合成生物学》 CSCD 2023年第3期422-443,共22页
合成生物学是按照一定的规律综合已有的信息设计和构建全新的生物元件、装置和系统,或者重新设计已有的天然生物系统。合成生物学的核心在于设计、改造、重建或制造生物元件、生物反应系统、代谢途径与过程,乃至创造具有生命活动能力的... 合成生物学是按照一定的规律综合已有的信息设计和构建全新的生物元件、装置和系统,或者重新设计已有的天然生物系统。合成生物学的核心在于设计、改造、重建或制造生物元件、生物反应系统、代谢途径与过程,乃至创造具有生命活动能力的细胞和生物个体,为解决人类发展在环境、资源、能源等方面面临的若干重大挑战提供新技术方案。毫无疑问,从DNA重组到基因电路设计,合成生物学的发展为众多领域带来全新的解决方案,优良的催化与调控元件是设计高效、鲁棒的系统的基础。然而,合成生物学的元件通常是天然的生物大分子,其固有的复杂性限制了对其工程化改造,导致合成生物技术的潜力未能得到充分发掘。随着人工智能(artificial intelligence,AI)与计算生物学的兴起和发展,有望助力该技术更好地发挥其价值。本文主要介绍了基于AI与计算生物学的不同类型的元件设计,聚焦催化元件、调控元件、传感元件三类元件的设计和前沿进展以及生物元件改造在合成生物学研究领域中的应用方面的研究进展。 展开更多
关键词 人工智能 合成生物学 计算生物学 蛋白质设计 生物序列
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Computational design of proteins with novel structure and functions 被引量:1
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作者 杨为 来鲁华 《Chinese Physics B》 SCIE EI CAS CSCD 2016年第1期306-312,共7页
Computational design of proteins is a relatively new field, where scientists search the enormous sequence space for sequences that can fold into desired structure and perform desired functions. With the computational ... Computational design of proteins is a relatively new field, where scientists search the enormous sequence space for sequences that can fold into desired structure and perform desired functions. With the computational approach, proteins can be designed, for example, as regulators of biological processes, novel enzymes, or as biotherapeutics. These approaches not only provide valuable information for understanding of sequence-structure-function relations in proteins, but also hold promise for applications to protein engineering and biomedical research. In this review, we briefly introduce the rationale for computational protein design, then summarize the recent progress in this field, including de novo protein design, enzyme design, and design of protein-protein interactions. Challenges and future prospects of this field are also discussed. 展开更多
关键词 computational protein design de novo protein design enzyme design protein-protein interaction
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基于多重计算设计策略提高奇异变形杆菌脂肪酶的热稳定性 被引量:3
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作者 张碧飞 吕成 +1 位作者 张萌 许菲 《生物工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第4期1537-1553,共17页
来自奇异变形杆菌的脂肪酶(Proteus mirabilis lipase,PML)具有较好的有机溶剂耐受性,在生产生物柴油等领域有广泛的应用潜力。然而,其热稳定性仍有待提高以更好地适应工业生产。近年来,基于计算机辅助的多种计算设计策略的发展为酶的... 来自奇异变形杆菌的脂肪酶(Proteus mirabilis lipase,PML)具有较好的有机溶剂耐受性,在生产生物柴油等领域有广泛的应用潜力。然而,其热稳定性仍有待提高以更好地适应工业生产。近年来,基于计算机辅助的多种计算设计策略的发展为酶的热稳定性改造提供了更多的思路。文中首先选择了3种基于互补算法的软件ABACUS、PROSS以及FoldX为正筛对PML进行计算设计,选择其两两交集,利用PSSM序列保守性分析和GREMLIN共进化分析两种负筛进一步缩小突变文库,得到18个单点突变设计。经实验验证,有7个T_(m)提高的突变体,其中K208G和G206D的ΔT_(m)最高,分别为3.75℃和3.21℃。选择其中5个酶活高于野生型的突变体利用贪婪累积策略进行组合,最终五点组合突变体M10的T_(m)提高了10.63℃,相对酶活为野生型的140%。组合过程中K208G和G206D展现出了一定的上位性,为M10热稳定性的提高作出了主要贡献。分子动力学模拟表明在突变位点及附近区域有新的作用力产生,G206D/K208G附近作用力的重排可能稳定了对PML稳定性有关键作用的Ca2+结合位点。本研究为天然酶的热稳定性改造提供了高效且兼顾用户友好性的计算设计方案,并为PML的改造及其工业应用的拓展奠定了基础。 展开更多
关键词 奇异变形杆菌 脂肪酶 热稳定性 蛋白质计算设计 分子动力学模拟
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基于多重计算设计策略提高枯草芽孢杆菌脂肪酶的热稳定性 被引量:3
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作者 向玉 张萌 许菲 《生物工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第8期1556-1567,共12页
提高酶的热稳定性是生物催化领域的热点和难点,计算机辅助的理性设计相比于传统的定向进化更加高效,在酶工程领域中的应用越来越广泛和深入。文中以枯草芽孢杆菌脂肪酶A为模式蛋白,首先,利用Rosetta-VIP计算设计对酶的结构空腔进行分析... 提高酶的热稳定性是生物催化领域的热点和难点,计算机辅助的理性设计相比于传统的定向进化更加高效,在酶工程领域中的应用越来越广泛和深入。文中以枯草芽孢杆菌脂肪酶A为模式蛋白,首先,利用Rosetta-VIP计算设计对酶的结构空腔进行分析,选择了16个有利于结构空腔填充(ΔΔE<0)的单点突变,并以突变位点的溶剂可及表面积和进化保守性为二次筛选依据,测定了其热稳定性与酶活性。有6个单点突变体(F17A、V74I、L114P、I135V、M137A、I157L)的热稳定性得到了提高,其中Tm值最大提高3.18℃。结果表明,单点突变体满足ΔΔE越低、蛋白溶剂可及表面积减少且符合序列保守性,则得到保留原有酶活力的正向突变的可能性越大。此外,将热稳定性提高的6个单点突变进行迭代组合突变,两点组合突变体的Tm最大提高4.04℃,三点组合突变体的Tm最大提高5.13℃,四点组合突变体的Tm提高了7.30℃,六点组合突变体的Tm提高了7.43℃。因此,基于酶的分子结构的空腔分析、溶剂可及表面积及氨基酸序列保守性计算的多重虚拟筛选方法,可有效提高酶的热稳定性。 展开更多
关键词 热稳定性 枯草芽孢杆菌脂肪酶A 蛋白质计算设计
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基于结构的CRISPR蛋白xCas9的优化设计 被引量:1
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作者 薛冬梅 朱海霞 +2 位作者 杜文豪 汤洪海 黄强 《生物工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第4期1385-1395,共11页
酿脓链球菌(Streptococcus pyogenes Cas9,SpCas9)已成为强大的基因组编辑工具,但其可识别的前间隔序列临近基序(Protospacer adjacent motifs,PAMs)范围有限,且存在脱靶效应。为解决这些问题,文中提出一种对SpCas9的定向进化突变体xCas... 酿脓链球菌(Streptococcus pyogenes Cas9,SpCas9)已成为强大的基因组编辑工具,但其可识别的前间隔序列临近基序(Protospacer adjacent motifs,PAMs)范围有限,且存在脱靶效应。为解决这些问题,文中提出一种对SpCas9的定向进化突变体xCas9进行优化的理性方法。首先,使用Rosetta程序进行能量最小化以优化Cas9的三维结构,获得其能量最低的构象;然后,对其定向进化所得氨基酸位点进行组合突变设计;最后,通过自由能排序从设计突变体中筛选出用于实验验证的最优变体。经DNA剪切实验验证,成功地获得了一个多PAM识别和低脱靶的新变体yCas9(262A/324R/409N/480K/543D/694L/1219T)。该变体可识别NG、GAA和GAT序列,且其由错配sgRNA引导的脱靶DNA剪切活性低,为生物医学领域提供了一个有潜在应用价值的基因编辑工具。同时,文中还对SpCas9、xCas9和yCas9进行了分子动力学模拟,揭示了其PAM识别和脱靶效应的机理,可为进一步的CRISPR/Cas9蛋白优化改造提供理论指导。 展开更多
关键词 基因编辑 CRISPR/Cas9 蛋白计算设计 分子动力学模拟
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合成生物学中蛋白质计算预测设计的应用与发展
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作者 孙瑨原 崔颖璐 吴边 《生命科学》 CSCD 北大核心 2021年第12期1436-1444,共9页
合成生物学以"工程化"为核心指导思想,自下而上开发生物技术来解决人类社会面临的重大挑战。蛋白质作为生命活动的直接执行者和合成生物学中关键的底层元件,对其定量认识和工程改造的能力直接影响合成生物学的上层建筑。通过... 合成生物学以"工程化"为核心指导思想,自下而上开发生物技术来解决人类社会面临的重大挑战。蛋白质作为生命活动的直接执行者和合成生物学中关键的底层元件,对其定量认识和工程改造的能力直接影响合成生物学的上层建筑。通过蛋白质计算设计技术可实现功能空间跳跃,为合成生物学提供全新元件,使序列-结构-功能的研究从"格物致知"转化为"建物致知"的新范式。该文介绍了在蛋白质序列-结构-功能的预测和设计中采用的前沿技术和应用进展,讨论了蛋白质计算设计面临的科学挑战,并提出了应对挑战应优先发展的研究方向。 展开更多
关键词 合成生物学 元件工程 蛋白质计算预测 蛋白质计算设计
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细胞色素P450BM3蛋白质瞬时界面的计算设计研究
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作者 杨继 朱玉山 《计算机与应用化学》 CAS CSCD 北大核心 2011年第4期385-389,共5页
瞬时蛋白,蛋白作用在细胞内有着重要的生理作用,所形成的界面为瞬时蛋白,蛋白界面。作为电子传递功能相关瞬时界面的代表,细胞色素P450被广泛的研究。本文选取具有高效电子传递效率的P450BM3蛋白作为研究素材,在其HEME域上选择了9个设... 瞬时蛋白,蛋白作用在细胞内有着重要的生理作用,所形成的界面为瞬时蛋白,蛋白界面。作为电子传递功能相关瞬时界面的代表,细胞色素P450被广泛的研究。本文选取具有高效电子传递效率的P450BM3蛋白作为研究素材,在其HEME域上选择了9个设计位点。通过在能量函数中引入特异性能量函数项,取得了较好的设计结果,有6个位点的残基类型与天然蛋白的残基类型一致。另外,本文还探讨了计算模型中加入水分子的重要性,说明了水分子在提供范德华能和氢键能方面的作用。 展开更多
关键词 计算蛋白质设计 瞬时界面 能量函数 P450BM3
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